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1、第三章 數(shù)控機(jī)床典型結(jié)構(gòu)及部件,,,技能目標(biāo) 1、了解數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及要求 2、熟悉數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的主軸變速方式、典型主軸部件結(jié)構(gòu)及原理 3、熟悉并掌握進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)中典型部件結(jié)構(gòu)及原理 4、熟悉并掌握一般轉(zhuǎn)塔回轉(zhuǎn)刀架及自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的組成及工作原理 5、熟悉并掌握數(shù)控機(jī)床典型位置檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理 6、了解數(shù)控機(jī)床排屑裝置的作用與種類(lèi),,一、數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及要求 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床在機(jī)械傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)上有顯著的不同： 采用高性能的無(wú)級(jí)變速主軸及伺服傳動(dòng)系統(tǒng) 剛度和抗振性較好 優(yōu)良的傳動(dòng)元件 多主軸、多刀架及刀具與工件的自動(dòng)夾角緊裝置，ATC，自動(dòng)排屑裝置、自動(dòng)潤(rùn)滑冷卻裝置 采取

2、減小機(jī)床熱變形的措施,,數(shù)控車(chē)床的機(jī)械結(jié)構(gòu),,數(shù)控加工中心機(jī)械結(jié)構(gòu),,回轉(zhuǎn)交換式APC 移動(dòng)交換式APC,,二、主傳動(dòng)系統(tǒng) 主要包括：主軸電機(jī)、主傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸組件 決定了零件的加工精度 要求： 更大的調(diào)速范圍并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。一般要求主軸具備1（1001000）的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍和110的恒功率調(diào)速范圍。 較高的精度和剛度 良好的抗振性和熱穩(wěn)定性 在車(chē)削中心上，要求有C軸控制功能（螺紋車(chē)削） 在加工中心上，高精度的準(zhǔn)停功能 恒線速度切削控制功能,,1、主軸傳動(dòng)方式 （1）帶有變速齒輪的主傳動(dòng) 大中型數(shù)控機(jī)床較常采用的配置方式，確保低速時(shí)有較大的扭矩，滑移齒輪的移位大多采用液壓撥叉或直接由液

3、壓缸驅(qū)動(dòng)齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)的四種配置方式 (a)齒輪變速；(b)帶傳動(dòng)；(c)兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)；(d)調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng),,（2）通過(guò)帶傳動(dòng)的主傳動(dòng) 主要用在轉(zhuǎn)速較高、變速范圍不大的小型數(shù)控機(jī)床上?？梢员苊庥升X輪傳動(dòng)所引起的振動(dòng)和噪聲。適用于高速低轉(zhuǎn)矩特性的主軸，常用有多楔帶和同步齒形帶。,帶的結(jié)構(gòu)形式 (a)多楔帶;(b)同步齒形帶,,同步齒形帶傳動(dòng)是一種綜合了帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的新型傳動(dòng)方式，帶型有梯形齒和圓弧齒。,同步齒形帶的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng),,（3）用兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸傳動(dòng) 高速時(shí)，由一個(gè)電機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)；低速時(shí)，由另一個(gè)電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)，齒輪起到降速和擴(kuò)大變速范圍的作用，使恒功

4、率區(qū)增大，擴(kuò)大了變速范圍，避免了低速時(shí)轉(zhuǎn)矩不夠且電機(jī)功率不能充分利用的問(wèn)題。,,（4）調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸傳動(dòng) 大大簡(jiǎn)化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出的扭矩小，電機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸的精度影響較大。,直接驅(qū)動(dòng)式,,（5）電主軸,,電主軸是高頻主軸的簡(jiǎn)稱(chēng)。實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”，如瑞士的FISCHER，德國(guó)的GMN，美國(guó)的PERCISE，意大利的GAMFIOR及日本的NSK等公司。 電主軸的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.4(b) 電主軸的軸承：決定主軸壽命和承載能力的關(guān)鍵部件，當(dāng)前主要有：陶瓷球軸承、液體靜壓軸承和磁懸浮軸承。 電主軸的冷卻：強(qiáng)制循環(huán)油冷卻的方式。 電主軸的驅(qū)動(dòng)：交流異步

5、感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 電主軸的基本參數(shù)：套筒直徑（主要參數(shù)）、最高轉(zhuǎn)速、輸出功率、轉(zhuǎn)矩和刀具接口。,,2、主軸部件 包括主軸的支撐和安裝在主軸上的傳動(dòng)零件 （1）主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀（標(biāo)準(zhǔn)化）：用于安裝刀具或夾持工件的夾具,,主軸軸承常見(jiàn)的支撐形式 (a)形式一；(b)形式二；(c)形式三,（2）主軸部件的支撐 a）前支撐采用雙列短圓柱滾子軸承和60角接觸雙列向心推力球軸承組合，后支撐采用成對(duì)向心推力球軸承?？商岣咧鬏S的綜合剛度，滿足強(qiáng)力切削的要求。普遍用于各類(lèi)數(shù)控機(jī)床主軸。,,c）前后支撐分別采用雙列和單列圓錐滾子軸承。徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，其安裝、調(diào)整性能好，但限制了主軸轉(zhuǎn)速和精度，因此可用

6、于中等精度、低速、重載的數(shù)控機(jī)床的主軸。,b）前支撐采用高精度雙列向心推力球軸承。向心推力軸承有良好的高速性，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)4000rmin，但承載能力小，適于高速、輕載、高精密的數(shù)控機(jī)床主軸。,,(3)刀具自動(dòng)裝卸切屑清除裝置,加工中心主軸前端有724號(hào)錐孔，內(nèi)部和后端安裝的是刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)。 機(jī)床執(zhí)行換刀指令，機(jī)械手從主軸拔刀時(shí)，主軸需松開(kāi)刀具。這時(shí)，液壓缸上腔通壓力油，活塞推動(dòng)拉桿向下移動(dòng)，使碟形彈簧壓縮，鋼球進(jìn)入主軸錐孔上端的槽內(nèi)，刀柄尾部的拉釘被松開(kāi)，機(jī)械手拔刀。,,壓縮空氣進(jìn)入活塞和拉桿的中孔，吹凈主軸錐孔，為裝入新刀具做好準(zhǔn)備。當(dāng)機(jī)械手將下一把刀具插入主軸后，液壓缸上腔無(wú)油

7、壓，在碟形彈簧和彈簧的恢復(fù)力作用下，拉桿、鋼球和活塞退回到圖示的位置，使刀具被夾緊。刀桿夾緊機(jī)構(gòu)用彈簧夾緊，液壓放松，以保證在工作中突然停電時(shí)，刀桿不會(huì)自行松脫。,(3)刀具自動(dòng)裝卸切屑清除裝置,,（3）刀具自動(dòng)裝卸切屑清除裝置,機(jī)床采用的是724號(hào)錐柄刀具，錐柄的尾端安裝有拉釘，拉桿通過(guò)4個(gè)鋼球拉住拉釘?shù)陌疾?，使刀具在主軸錐孔內(nèi)定位及夾緊。,,排屑裝置是將機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生的切屑收集、輸送到集屑箱中的機(jī)械機(jī)床功能部件。,（3）刀具自動(dòng)裝卸切屑清除裝置,鏈板式排屑機(jī),磁性排屑機(jī),刮板式排屑機(jī),螺旋式排屑機(jī),,（4）主軸的進(jìn)給功能 在車(chē)削中心的主傳動(dòng)系統(tǒng)中，增加了主軸的進(jìn)給功能C軸坐標(biāo)功能

8、。進(jìn)給功能即是實(shí)現(xiàn)主軸定向停車(chē)和圓周進(jìn)給，并在數(shù)控裝置控制下實(shí)現(xiàn)C軸、Z軸插補(bǔ)和C軸、X軸插補(bǔ)。,,（5）主軸的準(zhǔn)停功能,主軸準(zhǔn)停階梯孔或精鏜孔示意圖,當(dāng)加工階梯孔或精鏜孔后退刀時(shí)，為防止刀具與小階梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，必須先讓刀，再退刀，因此，刀具就必須具有定位功能。,,1）機(jī)械準(zhǔn)?？刂? 采用機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)或光電盤(pán)方式進(jìn)行粗定位，然后有一個(gè)液動(dòng)或氣動(dòng)的定位銷(xiāo)插入主軸上的銷(xiāo)孔或銷(xiāo)槽實(shí)現(xiàn)精確定位，完成換刀后定位銷(xiāo)退出，主軸才開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在早期數(shù)控機(jī)床上使用較多。,典型的V形槽輪定位盤(pán)機(jī)械準(zhǔn)停原理示意圖,,2）電氣準(zhǔn)停控制,永久磁鐵與磁傳感器在主軸上的位置,（a）磁傳感器主軸

9、準(zhǔn)?？刂?在主軸上安裝一個(gè)永久磁鐵與主軸一起旋轉(zhuǎn)，在距離發(fā)磁體旋轉(zhuǎn)外軌跡12mm處固定一個(gè)磁傳感器，它經(jīng)過(guò)放大器并與主軸控制單元相連接，當(dāng)主軸需要定向時(shí)，便可停止在調(diào)整好的位置上。,,編碼器主軸準(zhǔn)停控制原理圖,（b）編碼器主軸準(zhǔn)?？刂?通過(guò)主軸電動(dòng)機(jī)內(nèi)置安裝的位置編碼器或在機(jī)床主軸箱上安裝一個(gè)與主軸1：1同步旋轉(zhuǎn)的位置編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)?？刂?，準(zhǔn)停角度可任意設(shè)定。,,非接觸式密封 (a)形式一；(b)形式二；(c)形式三,（6）主軸的密封,,接觸式密封 (a)油氈圈密封；(b)耐油橡膠密封圈密封,,3、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng) （1）數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的要求,1）摩擦阻力要小 廣泛采用滾珠絲杠和滾動(dòng)導(dǎo)軌以及

10、塑料導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。 2）傳動(dòng)剛度要高 3）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小 4）諧振頻率要高 5）傳動(dòng)間隙要小,,（2）聯(lián)軸器,錐環(huán)無(wú)鍵消隙聯(lián)軸器,1、錐環(huán)無(wú)鍵聯(lián)軸器,,撓性聯(lián)軸器,,2、套筒式聯(lián)軸器,套筒式聯(lián)軸器 (a)結(jié)構(gòu)一；(b)結(jié)構(gòu)二；(c)結(jié)構(gòu)三,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，徑向尺寸小，但拆裝困難(要求兩中心軸線嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn))，使用受到一定限制。,,直齒圓柱齒輪傳動(dòng)副消除間隙的方法 1）偏心套調(diào)整法,偏心套消除間隙結(jié)構(gòu),（3） 傳動(dòng)齒輪間隙調(diào)整機(jī)構(gòu),,2）錐度齒輪軸向墊片調(diào)整法,錐度齒輪軸向墊片消除間隙結(jié)構(gòu),,3）雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法,雙片薄齒輪錯(cuò)齒消除間隙結(jié)構(gòu) (a)結(jié)構(gòu)一；(b)結(jié)構(gòu)二,, 斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)副

11、消除間隙的方法 1）斜齒輪軸向墊片調(diào)整法 薄片斜齒輪1和2的齒形拼裝在一起加工，裝配時(shí)在兩薄片齒輪間裝入已知厚度為t的墊片3，這樣螺旋線便錯(cuò)開(kāi)了，使兩薄片斜齒輪分別與寬齒輪4的左、右齒面貼緊，從而消除間隙。,斜齒輪軸向墊片消除間隙結(jié)構(gòu),承載能力較小，且不能自動(dòng)補(bǔ)償消除間隙，屬剛性消除間隙的范疇。,,2）斜齒輪軸向壓簧錯(cuò)齒調(diào)整法 軸向尺寸較大，只適合于負(fù)載較小的場(chǎng)合。,斜齒輪軸向壓簧錯(cuò)齒消除間隙結(jié)構(gòu),,錐齒輪傳動(dòng)副消除間隙的方法,錐齒輪軸向壓簧消除間隙結(jié)構(gòu),1）錐齒輪軸向壓簧調(diào)整法,,2）錐齒輪周向彈簧調(diào)整法,錐齒輪周向彈簧消除間隙結(jié)構(gòu),,齒輪齒條傳動(dòng)副消除間隙的方法 如果通過(guò)彈簧在軸2上作

12、用一個(gè)軸向力F，使斜齒輪產(chǎn)生微量軸向移動(dòng)，這時(shí)軸1和軸3便以相反的方向轉(zhuǎn)過(guò)微小的角度，使齒輪4和5分別與齒條的兩齒面貼緊，從而消除間隙。,齒輪齒條消除間隙結(jié)構(gòu),,工作原理與特點(diǎn),滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)原理,（4）滾珠絲杠螺母結(jié)構(gòu),,滾珠絲杠螺母副優(yōu)點(diǎn)： 1)傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。 2)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)無(wú)爬行。 3)傳動(dòng)精度高，反向時(shí)無(wú)空程。 4)磨損小，精度保持性好，使用壽命長(zhǎng)。 5)具有運(yùn)動(dòng)的可逆性。,,外循環(huán)式滾珠絲杠結(jié)構(gòu),滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)類(lèi)型 1)外循環(huán)。滾珠在循環(huán)過(guò)程結(jié)束后，通過(guò)螺母外表面上的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進(jìn)入循環(huán)。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，承載能力較高，但徑向尺寸較大。應(yīng)用最為

13、廣泛，也可用于重載傳動(dòng)系統(tǒng)。,,2）內(nèi)循環(huán)。靠螺母上安裝的反向器接通相鄰滾道，使?jié)L珠成單圈循環(huán)。反向器2的數(shù)目與滾珠圈數(shù)相等。 結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，滾珠流通性好，摩擦損失小，制造較困難，適用于高靈敏、高精度的進(jìn)給系統(tǒng)。,內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠結(jié)構(gòu),,雙螺母消隙,滾珠絲杠螺母副間隙的調(diào)整方法 通常采用預(yù)加載荷的方法來(lái)減小彈性變形所帶來(lái)的軸向間隙，以保證反向傳動(dòng)精度和軸向剛度。,（1）墊片調(diào)隙式,,滾珠絲杠螺母副間隙的調(diào)整方法 （2）螺紋調(diào)隙式,,滾珠絲杠螺母副間隙的調(diào)整方法 （3）齒差調(diào)隙式 在兩個(gè)螺母的凸緣上各制有圓柱外齒輪，分別與套筒,兩端內(nèi)齒圈相嚙合，其齒數(shù)相差一個(gè)齒。調(diào)整時(shí)，讓兩個(gè)螺母相對(duì)

14、于套筒方向都轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，然后再插入內(nèi)齒圈，則兩個(gè)螺母便產(chǎn)生相對(duì)角位移，其軸向位移量s=（1/z1-1/z2)Pn。 能精確調(diào)整預(yù)緊量，調(diào)整方便、可靠，結(jié)構(gòu)尺寸較大，多用于高精度的傳動(dòng)。,,單螺母消隙,（4）單螺母變位螺距預(yù)緊,,（5）單螺母螺釘預(yù)緊 螺母在專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)工廠完成精磨之后，沿徑向開(kāi)一薄槽，通過(guò)內(nèi)六角調(diào)整螺釘實(shí)現(xiàn)間隙的調(diào)整和預(yù)緊。間隙的調(diào)整和預(yù)緊極為方便。,,滾珠絲杠螺母副預(yù)緊力 為了保證傳動(dòng)精度及剛度，除消除傳動(dòng)間隙外，還要求預(yù)緊。其預(yù)緊力計(jì)算公式為 式中 為軸向最大工作載荷。,,滾珠絲杠的支撐方式 (a)僅一端裝推力軸承；(b)一端裝推力軸承，另一端裝深溝球軸承； (

15、c)兩端裝推力軸承，(d)兩端裝推力軸承和深溝球軸承,滾珠絲杠的支撐,,滾珠絲杠副的制動(dòng)裝置 機(jī)床工作時(shí)，電磁鐵通電，使摩擦離合器脫開(kāi)，運(yùn)動(dòng)由電機(jī)經(jīng)減速齒輪傳給絲杠，使主軸箱上、下移動(dòng)。當(dāng)加工完畢或中間停車(chē)時(shí)，電機(jī)和電磁鐵同時(shí)斷電，借壓力彈簧作用合上摩擦離合器，使絲杠不能轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸箱便不會(huì)下落。,數(shù)控銑鏜床主軸箱進(jìn)給絲杠制動(dòng)示意圖,,滾珠絲杠的預(yù)拉伸 滾珠絲杠在工作時(shí)，由于發(fā)熱將使導(dǎo)程增大，影響定位精度。為了消除此現(xiàn)象，可將絲杠預(yù)拉伸。,,滾珠絲杠副的的參數(shù) 公稱(chēng)直徑：大于絲杠工作長(zhǎng)度的1/30 導(dǎo)程：絲杠旋轉(zhuǎn)任意角度時(shí)，螺母基準(zhǔn)點(diǎn)的軸向位移 基本導(dǎo)程：360度時(shí)，螺母基準(zhǔn)點(diǎn)的軸向位移 接觸

16、角：45度 滾珠的工作圈數(shù)：第一圈（50%），第二圈（30%）、第三圈（20%）2.53.5 滾珠的總數(shù)：小于150。多流動(dòng)不暢；少載荷過(guò)大 其他參數(shù),,（5）直線電機(jī)傳動(dòng) 采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與原旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)的最大區(qū)別是取消了從電機(jī)到工作臺(tái)（拖板）之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)。這也稱(chēng)之為“零傳動(dòng)”。 直線電機(jī)是指可以直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)的電機(jī)，可以作為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 在定位精度、運(yùn)動(dòng)精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、運(yùn)行維護(hù)和行程方面有較大的優(yōu)勢(shì)。 最常用的直線電機(jī)類(lèi)型是平板式和U 型槽式,和管式。,,直線電機(jī)工作原理 直線電動(dòng)機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相似。以直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為例：當(dāng)初級(jí)繞組通入交流電源時(shí)，便在氣隙中產(chǎn)生行波磁場(chǎng)，次級(jí)在行波磁場(chǎng)切割下，將感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場(chǎng)相作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級(jí)固定，則次級(jí)在推力作用下做直線運(yùn)動(dòng)；反之，則初級(jí)做直線運(yùn)動(dòng)。 從制造成本及運(yùn)行費(fèi)用考慮，常將直線電機(jī)做成短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)。 對(duì)直線電機(jī)控制技術(shù)的研究基本上可以分為三個(gè)方面：一是傳統(tǒng)控制技術(shù)，二是現(xiàn)代控制技術(shù)，三是智能控制技術(shù)。,,,